F: Warum stellt der Druckluftverbrauch in Verpackungsmaschinen ein so großes Problem für Fertigungsanlagen dar, und an welchen Stellen wird Energie verschwendet?

Druckluft wird oft als die »vierte Versorgung« in der modernen Fertigung bezeichnet – neben Strom, Gas und Wasser. Sie ist jedoch bei weitem die teuerste Versorgungsart zu erzeugen. Beeindruckende 85 % bis 90 % der elektrischen Energie, die zur Antriebsversorgung eines Druckluftkompressors genutzt wird, gehen als Wärme verloren; lediglich 10 % bis 15 % werden in nutzbare pneumatische Energie umgewandelt. In Hochvolumen-Verpackungsanlagen, in denen Tausende pneumatischer Zylinder Tag und Nacht kontinuierlich schalten, stellt der Druckluftverbrauch eine erhebliche Betriebskostenposition und eine signifikante Quelle von Kohlenstoffemissionen dar.

Verpackungsmaschinen – darunter Kartonierer, Beutelmaschinen, Tablettversiegelungsanlagen, Pick-and-Place-Systeme sowie Palettierer – sind stark auf pneumatische Systeme angewiesen. Pneumatik wird bevorzugt, weil sie schnell, zuverlässig, sauber und eine hohe Leistungsdichte bietet. Da pneumatische Systeme jedoch einfach zu installieren sind, erfolgt ihre Optimierung häufig unzureichend – was zu massiven Energieverlusten in mehreren Bereichen führt:

• Einheitlicher Druck bei Nicht-Arbeitsbewegungen: Ein Standard pneumatischer Zylinder ist so konstruiert, dass es seine Hauptaufgabe (z. B. das Spannen, Pressen oder Verschieben einer schweren Kiste) während des Vorwärtshubs ausführt. Dies erfordert einen hohen Druck, typischerweise 6 bar. Beim Rückhub kehrt der Zylinder jedoch lediglich in seine Ausgangsposition zurück und bewegt keine Last. Trotzdem versorgen Standardanordnungen beide Enden des Zylinders mit dem gleichen Druck von 6 bar Druckluft, wodurch bei jedem Rückhub Energie verschwendet wird.
• Überdimensionierung des Luftdrucks: Maschinenkonstrukteure geben häufig einen höheren Betriebsdruck an, als technisch erforderlich ist, um einen Sicherheitspuffer zu gewährleisten. Wenn eine Maschine problemlos bei 4 bar arbeiten kann, der Betrieb jedoch 6 bar bereitstellt, wird bei jedem einzelnen Zyklus eine erhebliche Menge Druckluft verschwendet.
• Übermäßiges Totvolumen: Das Volumen der Luft in der Leitung zwischen dem Steuerventil und dem Zylinder wird als „Totvolumen“ bezeichnet. Bei jedem Hub wird diese Luft unter Druck gesetzt und anschließend ohne Nutzarbeit in die Atmosphäre abgeblasen. Ist die Leitung übermäßig lang oder hat sie einen größeren Durchmesser als erforderlich, führt dieses Totvolumen zu einem erheblichen Luftverlust.
• Kontinuierlicher Abluftverlust: Bei der normalen Umschaltung von Ventilen geben Standard-Magnetventile Druckluft direkt in die Atmosphäre ab und verschwenden so wertvolle Druckenergie, die eigentlich rückgeführt werden könnte.

Für B2B-Fertigungsanlagen und Verpackungs-OEMs summieren sich diese Ineffizienzen jährlich zu mehreren Tausend Dollar an unnötigen Stromkosten. Die Optimierung der pneumatischen Energie ist nicht mehr nur ein Umweltziel, sondern eine zwingende Voraussetzung, um die Kostenvorteile im Wettbewerb zu bewahren.

F: Wie optimieren luftsparende Ventile und zweistufige pneumatische Schaltungen den Energieverbrauch in Verpackungsanwendungen?

Der effektivste Weg, Druckluftverschwendung in Verpackungsmaschinen zu reduzieren, besteht darin, fortschrittliche luftsparende Ventile und Zweidruckkreisläufe einzusetzen. Diese Technologien zielen direkt auf die Kernquelle der pneumatischen Verschwendung ab: den Nicht-Arbeitshub.

AIRWORK hat spezielle luftsparende Ventillösungen entwickelt, die nach dem Prinzip der Druckoptimierung und Luftwiederverwertung funktionieren:

• Zweidruckkreisläufe: Ein luftsparendes Ventil kann so konfiguriert werden, dass es während des Vorwärtshubs des Zylinders einen hohen Druck (z. B. 6 bar) und während des Rückhubs einen niedrigen Druck (z. B. 2 oder 3 bar) bereitstellt. Durch die Reduzierung des Rückhubdrucks auf das für die Kolbenrückstellung erforderliche Minimum verbraucht der Zylinder bis zu 50 % weniger Luft während des Rückhubs. Bei Millionen von Zyklen führt dies zu einer gesamten Luftverbrauchsreduktion von 25 % bis 35 % für diesen Aktuator.
• Integrierte Druckregler: Die energiesparenden Verteilerblöcke von AIRWORK verfügen über kompakte, hochpräzise Regler, die direkt am Ventilgehäuse angebracht sind. Dadurch können Konstrukteure den Betriebsdruck einzelner Zylinder exakt an deren jeweilige Lastanforderungen anpassen und eine allgemeine Überdruckbelastung der Maschine vermeiden.
• Wiederverwendung der Abluft: Einige fortschrittliche luftsparende Ventile von AIRWORK verfügen über einen internen Bypass-Kreislauf. Sobald der Zylinder seinen hochdruckbeaufschlagten Vorwärtshub abgeschlossen hat, wird statt der gesamten Druckluft in die Atmosphäre ein Teil dieser Luft vom Ventil umgeleitet, um das gegenüberliegende Zylinderende für den Rückhub zu beaufschlagen. Durch diesen Recycling-Mechanismus kann der Rückhub mit „kostenloser“ Abfallluft durchgeführt werden, wodurch die Belastung des Druckluftkompressors weiter verringert wird.
• Niedrigleistungs-Magnetventil-Technologie: Magnetventile selbst verbrauchen elektrische Energie. Die energiesparenden Spulen von AIRWORK verbrauchen nur 0,5 bis 1,5 Watt elektrische Leistung im Vergleich zu Standardspulen mit 4 bis 5 Watt. Dadurch wird die Wärmeentwicklung in elektrischen Schaltschränken reduziert und der gesamte Stromverbrauch gesenkt.

F: Welche Konstruktionspraktiken sollten F&E-Ingenieure anwenden, um das pneumatische Totvolumen in Verpackungsmaschinen zu minimieren?

Während luftsparende Ventile unmittelbare Ergebnisse liefern, können F&E-Ingenieure durch den Einsatz intelligenter pneumatischer Konstruktionspraktiken eine weitere Energieoptimierung erreichen. Die Minimierung des Totvolumens ist eine zentrale Strategie:

• Ventile nahe den Zylindern montieren: Traditionell werden Magnetventile in einem zentralen Schaltschrank gruppiert, um die Wartung zu erleichtern. Dies erfordert jedoch lange Rohrleitungen zu den Zylindern und führt zu einem massiven Totvolumen. Ingenieure sollten dezentrale Ventilverteiler, wie AIRWORKs kompakte Serie, direkt am Maschinengestell in der Nähe der Aktuatoren montieren, um die Länge der Rohrleitungen unter 500 mm zu halten.
• Optimieren Rohr Durchmesser: Die Dimensionierung von Rohrleitungen ist ein fein abgestimmtes Gleichgewicht. Zu schmale Rohre behindern den Durchfluss und verlangsamen den Maschinenbetrieb. Zu breite Rohre hingegen erhöhen das Totvolumen. F&E-Ingenieure sollten AIRWORKs Durchflussberechnungssoftware nutzen, um den kleinstmöglichen Rohrdurchmesser auszuwählen, der die Geschwindigkeitsanforderungen des Zylinders erfüllt.
• Wählen Sie kompakte und integrierte Stellzylinder: Moderne Verpackungsmaschinen profitieren von integrierten Zylinder-Ventil-Einheiten. Durch die Kombination von Steuerventil und Zylinder in einer einzigen physischen Einheit entfällt die Verbindungsleitung vollständig, wodurch das Totvolumen auf null reduziert wird.

F: Was sind die Gesamtbetriebskosten (TCO) und die Rentabilität (ROI) beim Upgrade auf die luftsparenden pneumatischen Systeme von AIRWORK?

Für Einkaufsmanager im B2B-Bereich ist die Bewertung der finanziellen Tragfähigkeit eines Upgrades auf energieeffiziente Pneumatiksysteme unerlässlich. Das Upgrade von Standardventilen auf luftsparende Systeme von AIRWORK stellt eine geringfügige anfängliche Kapitalinvestition dar, bietet jedoch eine außergewöhnlich kurze Amortisationsdauer:

• Schnelle ROI (Return on Investment): In einer typischen 24/7-betriebenen Verpackungsanlage kann das Upgrade einer einzelnen hochzyklischen Verpackungslinie mit luftsparenden Ventilen von AIRWORK die Stromkosten pro Maschine und Jahr um 500 bis 1.500 US-Dollar senken. Die Amortisationsdauer für die ausgetauschten Ventile liegt häufig unter 6 Monaten.
• Verringerte Kompressorwartung: Die Senkung des Luftverbrauchs reduziert die Belastung der Druckluftkompressoren der Anlage. Die Kompressoren laufen kühler, verschleißen langsamer und erfordern weniger kostenintensive Wartungsüberholungen, wodurch ihre gesamte Lebensdauer verlängert wird.
• Reduzierung der CO₂-Bilanz: Die Minimierung des Stromverbrauchs senkt direkt die Treibhausgasemissionen der Anlage. Durch die Beschaffung bei AIRWORK können Fertigungsunternehmen konkrete Energiespar-Daten dokumentieren und so ihre unternehmensweiten Nachhaltigkeitsziele erreichen sowie international geltende Umweltstandards wie ISO 50001 einhalten.

Durch die Partnerschaft mit AIRWORK können Verpackungs-OEMs und Fertigungsanlagen ihre pneumatischen Systeme von teuren Energieverbrauchern in hochoptimierte, nachhaltige und kosteneffiziente Automatisierungsanlagen verwandeln.